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1、第二章第二章 运算放大器运算放大器n本章导读本章导读运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的一种器件。一种器件。 本章先介绍集成运放内部的主要结构、理想运算本章先介绍集成运放内部的主要结构、理想运算放大器和电路模型，然后用线性电路理论分析由理放大器和电路模型，然后用线性电路理论分析由理想运放和电阻、电容等组成的简单应用电路。想运放和电阻、电容等组成的简单应用电路。 较早学习这些应用电路，有利于启发同学们的较早学习这些应用电路，有利于启发同学们的创新思维，打破对电子技术的神秘感。创新思维，打破对电子技术的神秘感。12.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大
2、器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大电路同相输入和反相输入放大电路 的其他应用的其他应用2.5 SPICE仿真例题仿真例题第二章第二章 运算放大器运算放大器22.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器n1、集成电路运算放大器的内部组成单元、集成电路运算放大器的内部组成单元n2、运算放大器的电路模型、运算放大器的电路模型3集成运算放大器外形图集成运算放大器外形图14集成运算放大器外形图集成运算放大器外形图25nLM324是四运放集成电路，它采用是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它
3、的内部包含四组形式完全相同的装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 四运放集成电路四运放集成电路LM324运算放大器符号运算放大器符号61、集成电路运算放大器的内部组成单元、集成电路运算放大器的内部组成单元1、输入输出端口、输入输出端口P、N、O。 2、各级的作用？、各级的作用？3、4、运放的代表符号。、运放的代表符号。正负电源的中间接点正负电源的中间接点72、运算放大器的电路模型、运算放大器的电路模型n输入电阻输入电阻ri较大，通常为较大，通常为106或更大；或更大；n输出电阻输出电阻ro较小，
4、通常为较小，通常为100或更小；或更小；n开环电压增益开环电压增益Avo的值较高，至少为的值较高，至少为104；n受控电压源：受控电压源： Avo(vP- vN)。1、电路、电路模型及说模型及说明明82、运算放大器的电路模型、运算放大器的电路模型2、电压传输特性、电压传输特性输出电压输出电压vo不可能超越不可能超越正负电源的电压值。正负电源的电压值。若若Avo(vP- vN) V，则则vo =Vom=V ; 设设vP vN，若若V Avo(vP- vN) V，则则vo =Avo (vP- vN) ;若若Avo(vP- vN) V，则则vo =Vom=V 。 当当 vo =Vom时输入电压的最时
5、输入电压的最小幅值小幅值vP- vN ？vom /Avo92、运算放大器的电路模型、运算放大器的电路模型n例例2.1.1：电路如图所示，运放的开环电压增益：电路如图所示，运放的开环电压增益Avo=106，输入电阻，输入电阻ri = 109 ，电源电压，电源电压V+=+10V， V=10V。（。（1）试求当）试求当 vo =Vom=10V时输入电压的最小时输入电压的最小幅值幅值vP- vN =？输入电流？输入电流 i i=？ （2）画出传输特性曲）画出传输特性曲线线 vo =f (vP- vN )。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。109 10610V10V解解:(1)当当vo =Vom时
6、，时，输入电压最小幅值输入电压最小幅值vP- vN vo /Avo 10V/ 106= 10V 输入电流输入电流 i i= vP- vN / ri 10V / 109 1108 A102、运算放大器的电路模型、运算放大器的电路模型n例例2.1.1解解:(2)画传输特性曲画传输特性曲线线 取取a点点(10V , 10V)， b点点(10V , 10V)，连接，连接a，b两点得线段两点得线段ab，其斜率为其斜率为Avo=106， |vP- vN| ， iP0，iN0， ri ， ro0），便可得），便可得到理想运放的模型到理想运放的模型n该图表示输入端是开路的，即该图表示输入端是开路的，即ri ，
7、 输出端电阻输出端电阻ro0，输出电压输出电压vo Avo(vP- vN)，其中，其中Avo- riiP=0iN=0理想运放电路模型理想运放电路模型ro运放电路模型运放电路模型132.3 基本线性运放电路基本线性运放电路n同相输入和反相输入是两种最基本的放大同相输入和反相输入是两种最基本的放大电路，许多由运放组成的功能电路都以此电路，许多由运放组成的功能电路都以此为基础。为基础。n在分析运放组成的各种应用电路时，其中在分析运放组成的各种应用电路时，其中的运放视为理想运放。的运放视为理想运放。n2.3.1 同相放大电路同相放大电路n2.3.2反相放大电路反相放大电路 电压传输特性形状与电压传输特
8、性形状与Avo(vP- vN) 密切相关，由于密切相关，由于Avo很大，很大，导致性能不稳定，怎么办？导致性能不稳定，怎么办？142.3.1 同相放大电路同相放大电路a、输入信号vi加到运放的同相输入端“”和地之间。b、vn=vf=R1vo/(R1+R2)作用在反相输入端“”，vf表示反馈电压。1、基本电路、基本电路152.3.1 同相放大电路同相放大电路vp(vi)2、负反馈基本概念、负反馈基本概念vovn vidvo12345电压增益电压增益Av=vo/vi如何变化？如何变化？162.3.1 同相放大电路同相放大电路3、虚短和虚断、虚短和虚断vp(vi)vn vp vn 或或 vid=vp
9、vn 012345虚短：虚短：虚断：由于虚短虚断：由于虚短(vpvn 0)且且ri很大，则很大，则ipin 0172.3.1 同相放大电路同相放大电路4、技术指标近似计算、技术指标近似计算vp vn虚短：虚短：虚断：虚断：ipin 0闭环电压增益闭环电压增益Avvf输入电阻输入电阻Ri182.3.1 同相放大电路同相放大电路vp vn虚短：虚短：虚断：虚断：ipin 00ro=0Ro 04、技术指标近似计算、技术指标近似计算输出电阻输出电阻Ro192.3.1 同相放大电路同相放大电路nvo= vn vp= vi nAv=vo/vi 15、电压跟随器、电压跟随器202.3.1 同相放大电路同相放
10、大电路5、电压跟随器（应用示例）、电压跟随器（应用示例）（a）（b）212.3.1 同相放大电路同相放大电路6、例、例2.3.1 直流电压表直流电压表电路如图，磁电式电流表电路如图，磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过指针偏移满刻度时，流过动圈电流动圈电流IM=100A。当。当R1=20K时，可测的最大时，可测的最大输入电压输入电压VS(max)=?解：由虚短和虚断有解：由虚短和虚断有VP= VS = VN , Ii=0，则有，则有22n作业作业P46、P47 2.1.1; 2.1.2; 232.3.2 反相放大电路反相放大电路1、基本电路、基本电路虚地：由虚短虚地：由虚短vnvP =0，则有，
11、则有vn接近于地电位接近于地电位242.3.2 反相放大电路反相放大电路2、几项技术指标的近似计算、几项技术指标的近似计算（1）电压增益）电压增益虚地虚地vn=0，虚断，虚断ip=in=0，则则i1=i2，故有，故有因此因此252.3.2 反相放大电路反相放大电路2、几项技术指标的近似计算、几项技术指标的近似计算（2）输入电阻）输入电阻262.3.2 反相放大电路反相放大电路2、几项技术指标的近似计算、几项技术指标的近似计算（3）输出电阻）输出电阻ro=0Ro 0272.3.2 反相放大电路反相放大电路 例例2.3.2 将反相放大电路中的电阻将反相放大电路中的电阻R2用用T型型网络代替，如下图
12、所示。（网络代替，如下图所示。（1）求）求Av=vo/vi；解解:(1)虚地虚地vn= 0，虚断，虚断in=ip=0,节点节点n和和M的电流方程的电流方程为为可得可得282.3.2 反相放大电路反相放大电路 例例2.3.2 将反相放大电路中的电阻将反相放大电路中的电阻R2用用T型网络代型网络代替，如下图所示。（替，如下图所示。（2）该电路作为话筒的前置放大）该电路作为话筒的前置放大电路，若选电路，若选R151K， R3 R2 390K，当，当vo100vi时，求时，求R4。解解:(2)当当R1=51K， R1= R2 =390K，Av100，有，有解得解得R435. 2K292.3.2 反相放
13、大电路反相放大电路 例例2.3.2 将反相放大电路中的电阻将反相放大电路中的电阻R2用用T型型网络代替，如下图所示。（网络代替，如下图所示。（3）直接用）直接用R2代替代替T形网络，当形网络，当R1= 51K， AV100时，求时，求R2。解解:（3）若）若Av100，用，用R2代替代替T形网络，则形网络，则R2为为 T形网络代替反馈电阻形网络代替反馈电阻R2的的益处？益处？302.3.2 反相放大电路反相放大电路 例例2.3.3 直流毫伏表电路表如下图所示。当直流毫伏表电路表如下图所示。当R2R3时，（时，（1）证明）证明Vs=(R1R3/R2)IM；解解:(1)虚地虚地Vn= Vp= 0，
14、虚断，虚断IN=II=0，可得，可得由（由（1）和（）和（2）式）式可得可得当当R2R3时时312.3.2 反相放大电路反相放大电路 例例2.3.3 直流毫伏表电路表如下图所示。当直流毫伏表电路表如下图所示。当R2R3时时（2）R3= 1K， R1= R2= 150K，输入信号电压输入信号电压Vs=100mV时，通过毫伏表的最大时，通过毫伏表的最大电流电流IM(max)=?解解:(2) 已知条件（略）已知条件（略）代入数据得代入数据得322.4 同同相输入和反相输入放大相输入和反相输入放大电路的其他应用电路的其他应用n2.4.1 求差电路求差电路n2.4.2 仪用放大器仪用放大器n2.4.3
15、求和电路求和电路n2.4.4 积分和微分电路积分和微分电路n归纳与推广归纳与推广332.4.1 求差电路求差电路 求差电路又称为差分放求差电路又称为差分放大电路，实现两个电压大电路，实现两个电压vi1、vi2相减。相减。 虚短（虚短（vpvn)，虚断（，虚断（ii0），则接点），则接点n和和p的电流方的电流方程为程为利用利用vpvn，联合联合(1)和和(2)式，可解得式，可解得(3)式式如果选择阻值使如果选择阻值使R4/R1=R3/R2，则，则(3)式可变为式可变为(4)式式342.4.1 求差电路求差电路R4/R1=R3/R2 输入电阻输入电阻Ri和和输出电阻输出电阻Ro？352.4.1 求
16、差电路求差电路 例例2.4.1 高输高输入电阻的差分放入电阻的差分放大电路如图所示，大电路如图所示，求输出电压求输出电压vo2表表达式，并说明该达式，并说明该电路的特点。电路的特点。利用利用叠加原理求叠加原理求v02当当R1=R21时时362.4.1 求差电路求差电路 例例2.4.1 高输高输入电阻的差分放入电阻的差分放大电路如图所示，大电路如图所示，求输出电压求输出电压vo2表表达式，并说明该达式，并说明该电路的特点。电路的特点。电路特点电路特点:1、通过两级放大电路实现、通过两级放大电路实现求差功能。求差功能。 2、第一级为同相输入，电、第一级为同相输入，电路的输入电阻为无穷大。路的输入电
17、阻为无穷大。372.4.2 仪用放大器仪用放大器A1、A2虚短，则虚短，则 vR1=v1-v2A1、A2虚断，则虚断，则 iR1=iR2 ,即即由由(1)式得（式得（2）式）式根据求差电路特性根据求差电路特性38n作业作业P46、P47 n n 2.3.4 2.3.5 n 2.4.2 2.4.5 2.4.6 392.4.3 求和电路求和电路电压电压vi1和和vi2相加，可用如下求和电路实现。相加，可用如下求和电路实现。虚断虚断(ii=0)，则，则i1i2i3又虚地又虚地(vn=0) ，得，得变形得变形得若若R1=R2=R3，则，则 如何修改电路消去如何修改电路消去(4)式中的负号？式中的负号？
18、402.4.3 求和电路求和电路例例2.4.2 某歌唱小组有某歌唱小组有一个领唱和两个伴唱，一个领唱和两个伴唱，各自歌声输入分别输入各自歌声输入分别输入三个话筒，电路如右图。三个话筒，电路如右图。(1) 求求vo表达式。表达式。 (2)、(3)见下两页。见下两页。解解: (1)利用虚短利用虚短(vp-vn=0) 、虚断、虚断(ii=0)和虚地和虚地(vn=0)i1i2i3 i4即即412.4.3 求和电路求和电路例例2.4.2 (2)当话筒电信当话筒电信号号vs= vs1= vs2=vs3=10mV 时，时，vo=2V ，伴唱支路，伴唱支路增益增益Av1= Av2 ， Av3= 2Av1 ，求
19、各支路增益。，求各支路增益。解解: (2)将已知量代入将已知量代入422.4.3 求和电路求和电路例例2.4.2 (3) 选择电阻选择电阻R1、 R2、 R3和和R4的阻值的阻值(要求要求阻值小于阻值小于100K) 。解解: (3)根据根据为方便计算可先选择为方便计算可先选择R4=100k同理可得同理可得432.4.3 求和电路求和电路可用同相放大电路实现求和功能。例：可用同相放大电路实现求和功能。例：P49 T2.4.5虚断虚断(ii=0)，则，则i3i4, 虚短虚短(vn=vp) 由叠加原理由叠加原理,当当vi2 =0时时,得得若若R1=R2=R3 =R4 ，则，则当当vi1 =0时，得时
20、，得442.4.4 积分和微分电路积分和微分电路1、积分电路、积分电路分析：由分析：由 虚断虚断(iI=0)和虚地和虚地(vn=0), 有有i1= i2= i ，电容器，电容器C以电流以电流i1= vI/R进行充电。进行充电。设电容器设电容器C的初始电压的初始电压vc=0，则，则即即452.4.4 积分和微分电路积分和微分电路1、积分电路（其阶跃响应）、积分电路（其阶跃响应）462.4.4 积分和微分电路积分和微分电路1、积分电路、积分电路 （例（例2.4.3） 设积分电路和输入电压设积分电路和输入电压vI波形如右波形如右图所示。电路中电源电压图所示。电路中电源电压V+=+15V, V=15V
21、, R=10K, C=5nF，在，在t=0时，时，电容器电容器C初始电压初始电压vc=0，试画出输出，试画出输出电压电压vO的波形，并标出幅值。的波形，并标出幅值。 解：解：在在t=0时，时， vO =0，当，当t140s时时 当当t2120s时时 472.4.4 积分和微分电路积分和微分电路2、微分电路、微分电路分析：由分析：由 虚断虚断(iI=0)和虚地和虚地(vN=0), 有有i1= i2。设。设t=0时，时，电容器电容器C的初始电压的初始电压vc=0， 信号信号vI接入后有接入后有则则vN=0微分电路的电压波形微分电路的电压波形48归纳与推广归纳与推广n前面分析了求和、求差、微分前面分
22、析了求和、求差、微分和积分等电路，它们都是右图和积分等电路，它们都是右图中的中的Z1和和Z2用简单的用简单的R、C元件元件代替组成的。一般它们可以是代替组成的。一般它们可以是R、L、C元件的串联或并联组合。元件的串联或并联组合。应用拉氏变换，应用拉氏变换，Z1写成写成Z1(s), Z2写成写成Z2(s)， 其中其中s复频率变量；因而有复频率变量；因而有改变改变Z1(s) ，Z2(s)的形式，即可实现的形式，即可实现各种不同数学运算。各种不同数学运算。49归纳与推广归纳与推广n例：右图所示是一种比较复杂例：右图所示是一种比较复杂的运算电路，它的传递函数为的运算电路，它的传递函数为 上式第一、二两项表示比例上式第一、二两项表示比例运算；第三项表示微分运算，运算；第三项表示微分运算，最后一项表示积分运算。最后一项表示积分运算。50设计设计n设计一放大电路，采用设计一放大电路，采用12V供电，电压供电，电压放大倍数为放大倍数为50，输入阻抗为，输入阻抗为100K。n(1)采用同相放大电路；采用同相放大电路；n(2)采用反相放大电路；采用反相放大电路；n(3)如果采用单电源如果采用单电源12V供电呢？供电呢？51同相放大电路同相放大电路52反相放大电路反相放大电路53采用单电源采用单电源12V供电供电54n作业作业 (P47、P48) 2.4.7 2.4.8 2.4.9 2.4.1155
